作者:重慶工學(xué)院 陳世平 陳霞 來(lái)源:《工具技術(shù)》
BGHZL~ J57; X=M 1 引言
)?pnV":2Y 6b9J3~d\E 高速銑削工藝在汽車(chē)、飛機(jī)和模具制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。由于銑刀高速旋轉(zhuǎn)時(shí)刀具各部分承受的離心力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)切削力本身的作用而成為刀具的主要載荷,而離心力達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)造成刀具變形甚至破裂,因此研究高速銑刀的安全性技術(shù)對(duì)發(fā)展高速銑削技術(shù)有著極其重要的意義。
,RW`9+gx LR';cR; 2 高速銑刀安全性技術(shù)研究的現(xiàn)狀
Ubgn^+AI z:Z-2WV2o 20世紀(jì)90年代初德國(guó)就開(kāi)始了對(duì)高速銑刀的安全性技術(shù)研究,并制訂了DIN6589-1《高速銑刀的安全要求》標(biāo)準(zhǔn)草案,規(guī)定了高速銑刀失效的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計(jì)、制造和使用的指導(dǎo)性意見(jiàn),規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)草案已成為各國(guó)高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件。
%k~ezn M93*"jA 2.1 高速銑刀的安全失效形式與試驗(yàn)方法
Y6Ux*vhK aNA]hl 標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定了高速切削的速度界限,超過(guò)該速度后離心力將成為銑刀的主要載荷,必須采用安全技術(shù)。在刀具直徑與高速切削范圍關(guān)系圖中,曲線以上區(qū)域?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銑刀必須經(jīng)過(guò)安全檢驗(yàn)的高速切削范圍:對(duì)于直徑d1≤32mm的單件刀具(整體或焊接刀具),其切削速度超過(guò)10000m/mm為高速切削范圍;對(duì)于直徑d1>32mm的裝配式機(jī)夾刀具,高速切削范圍為線段BC以上區(qū)域。
e\O-5hp7 XMdCQ= 高速銑刀的安全失效形式有兩種:變形和破裂。不同類型銑刀的安全試驗(yàn)方法也不同。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位銑刀,有兩種安全試驗(yàn)方法:一種方法是在1.6倍最大使用轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),刀具的永久性變形或零件的位移不超過(guò)0.05mm;另一種方法是在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速下試驗(yàn),刀具不發(fā)生破裂(包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛、刀體的爆裂等)。而對(duì)于整體式銑刀,則必須在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。
Cy*.pzCi p_X{'=SQ1 2.2 高速銑刀強(qiáng)度計(jì)算模型
FBbaLqgVF{ <fF|AbC: 高速刀具在離心力的作用下是否發(fā)生失效的關(guān)鍵在于刀體的強(qiáng)度是否足夠、機(jī)夾刀的零件夾緊是否可靠。當(dāng)把離心力作為主要載荷計(jì)算刀體強(qiáng)度時(shí),由于刀具形狀的復(fù)雜性,用經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算得出的結(jié)果誤差很大,常常不能滿足安全性設(shè)計(jì)的要求。
K?r lQBEq"7$ 為了在刀具設(shè)計(jì)階段對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在離心力作用下的受力和變形進(jìn)行定性和定量的分析,可通過(guò)有限元方法計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力大小,模擬失效過(guò)程和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。高速銑刀有限元計(jì)算模型中包括刀體、刀體座、刀片和夾緊螺釘。首先計(jì)算刀體(包括螺釘、刀片等零件質(zhì)量)的彈性變形,再對(duì)分離出的刀座作詳細(xì)分析,把所獲得的刀體彈性變形作為邊界條件加到刀座分離體;然后由切出的刀座、刀片、螺釘及無(wú)質(zhì)量的摩擦副組成刀片夾緊系統(tǒng)的模型,進(jìn)行夾緊的可靠性分析。有限元模型能模擬刀片在刀座里的傾斜、滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及螺釘在夾緊時(shí)的變形,可計(jì)算出在不同轉(zhuǎn)速下刀片位移和螺釘受力的大小。
!0vLSF= bE{YK 3 提高高速銑刀安全性的措施
MTKNIv| -e_op'` 結(jié)合高速銑刀安全性標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)有限元計(jì)算模型的分析,為適應(yīng)安全性要求,可采取以下措施:
ZhoV,/\+ F-oe49p5e (1)減輕刀具質(zhì)量,減少刀具構(gòu)件數(shù),簡(jiǎn)化刀具結(jié)構(gòu)
j9l32<h7] b*H*(}A6"' 由試驗(yàn)求得的相同直徑的不同刀具的破裂極限與刀體質(zhì)量、刀具構(gòu)件數(shù)和構(gòu)件接觸面數(shù)之間的關(guān)系,經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),刀具質(zhì)量越輕,構(gòu)件數(shù)量和構(gòu)件接觸面越少,刀具破裂的極限轉(zhuǎn)速越高。研究發(fā)現(xiàn),用鈦合金作為刀體材料減輕了構(gòu)件的質(zhì)量,可提高刀具的破裂極限和極限轉(zhuǎn)速。但由于鈦合金對(duì)切口的敏感性,不適宜制造刀體,因此有的高速銑刀已采用高強(qiáng)度鋁合金來(lái)制造刀體。
GdY@$&z{i LrT EF
j 在刀體結(jié)構(gòu)上,應(yīng)注意避免和減小應(yīng)力集中,刀體上的槽(包括刀座槽、容屑槽、鍵槽)會(huì)引起應(yīng)力集中,降低刀體的強(qiáng)度,因此應(yīng)盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時(shí),刀體的結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸,使重心通過(guò)銑刀的軸線。刀片和刀座的夾緊、調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙,并且要求重復(fù)定位性好。目前,高速銑刀已廣泛采用HSK刀柄與機(jī)床主軸連接,較大程度地提高了刀具系統(tǒng)的剛度和重復(fù)定位精度,有利于刀具破裂極限轉(zhuǎn)速的提高。此外,機(jī)夾式高速銑刀的直徑顯露出直徑變小、刀齒數(shù)減少的發(fā)展趨勢(shì),也有利于刀具強(qiáng)度和剛度的提高。
szb@2fK >]_^iD]*t (2)改進(jìn)刀具的夾緊方式
L`X5\D'X SOn)'!g 模擬計(jì)算和破裂試驗(yàn)研究表明,高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊,要用帶中心孔的刀片、螺釘夾緊方式,或用特殊設(shè)計(jì)的刀具結(jié)構(gòu)以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致,同時(shí)要控制好螺釘?shù)念A(yù)緊力,防止螺釘因過(guò)載而提前受損。對(duì)于小直徑的帶柄銑刀,可采用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實(shí)現(xiàn)夾緊的高精度和高剛度。
vZ811U~} ?$T